能譜技術(shù)測(cè)量鋁塊厚度的實(shí)驗(yàn)方法

摘要：核技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有廣泛的應(yīng)用，本文重點(diǎn)介紹了利用γ射線能譜法測(cè)量鋁塊吸收系數(shù)和厚度的相關(guān)原理、實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)的處理，使學(xué)生了解利用能譜技術(shù)測(cè)量材料厚度的具體實(shí)驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：核物理；鋁塊；測(cè)厚；γ射線；吸收系數(shù)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-6148(2008)11(S)-0056-2

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，核技術(shù)有了更廣泛的利用，除了以核爆炸的形式被應(yīng)用于軍事以外，核能還作為重要能源被和平利用。工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)產(chǎn)品厚度的測(cè)量以及在線監(jiān)測(cè)等相關(guān)領(lǐng)域都需要新的測(cè)厚技術(shù)，由此在產(chǎn)品厚度的測(cè)量以及在線監(jiān)測(cè)等相關(guān)領(lǐng)域正在逐步地推廣和采用核物理的相關(guān)知識(shí)和技術(shù)。納米級(jí)薄膜技術(shù)的發(fā)展使薄膜厚度準(zhǔn)確測(cè)量受到人們的高度重視。我們可以利用射線的穿透性對(duì)鋼板等各種材料的厚度進(jìn)行測(cè)量［1］。

在物理教學(xué)中，讓學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用有所了解，對(duì)學(xué)習(xí)自然科學(xué)知識(shí)和培養(yǎng)科學(xué)素質(zhì)有很大的幫助。

2 測(cè)厚技術(shù)介紹

2.1 薄膜測(cè)厚技術(shù)介紹

目前，測(cè)量薄膜厚度的方法主要有：超聲波測(cè)厚、光學(xué)原理測(cè)厚和核技術(shù)測(cè)厚（即射線測(cè)厚）等。超聲波測(cè)厚是利用超聲波脈沖通過被測(cè)物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回探頭后利用反射的時(shí)間差，來測(cè)定薄膜厚度的。光學(xué)測(cè)厚一般是以光作為尺度測(cè)量手段，利用兩個(gè)界面的反射光所產(chǎn)生的光干涉效應(yīng)原理來測(cè)量厚度。核技術(shù)測(cè)厚是利用射線穿過吸收介質(zhì)時(shí)，其相對(duì)強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減的規(guī)律來測(cè)厚。一般的測(cè)厚儀器有光學(xué)測(cè)厚儀，如邁克耳孫干涉儀、橢偏測(cè)厚儀、激光測(cè)厚儀等［2］。核技術(shù)測(cè)厚儀有：X射線薄層分析儀、同位素測(cè)厚儀等。

2.2 射線測(cè)厚的優(yōu)點(diǎn)和種類

我們知道，有很多天然的和人工生產(chǎn)的核素都能自發(fā)地發(fā)射各種射線，射線通常具有強(qiáng)的穿透性，不同的射線具有不同的用途［3］。按射線的種類我們可以把測(cè)厚技術(shù)分為電磁波類：如X射線，γ射線，以及紅外線，紫外線，微波等。粒子類：如α射線，β射線，質(zhì)子射線，中子射線等。射線測(cè)厚根據(jù)射線發(fā)射機(jī)制的不同，可以分為人工射線測(cè)厚和同位素測(cè)厚。像X射線測(cè)厚方法屬于人工射線測(cè)厚方法 ［4］，而使用某些元素同位素所產(chǎn)生的天然射線的測(cè)厚方法，則稱為同位素測(cè)厚。相比之下，γ射線比X射線具有更大的優(yōu)勢(shì)，它可以用來作為輻射源去透視各種X射線不能透視的材料內(nèi)部的特性和缺陷［2-5］，作為自動(dòng)檢查儀器及各種測(cè)量?jī)x器在大規(guī)模生產(chǎn)中應(yīng)用。γ射線穿透能力很強(qiáng)，可方便地發(fā)現(xiàn)各種金屬制品中的缺陷，對(duì)一定厚度的物體進(jìn)行測(cè)量［7］。

一般情況下，X射線和γ射線、中子射線用于內(nèi)部缺陷以及金屬構(gòu)件的探測(cè)［7］，中子射線也可以用于特殊結(jié)構(gòu)的探測(cè)，如炮彈的探測(cè)等。β射線可以用作表面缺陷的探測(cè)。β射線穿透能力弱，可以對(duì)薄膜進(jìn)行測(cè)量，由于穿透力很弱，比較環(huán)保。γ射線穿透能力很強(qiáng)，不但可以應(yīng)用于厚度的測(cè)量，還可方便地發(fā)現(xiàn)各種金屬制品中的缺陷［5-8］。

3 γ能譜法測(cè)厚介紹

3.1 γ能譜測(cè)量原理

γ射線能譜法是核物理測(cè)厚里面的能譜測(cè)量技術(shù)。γ射線是原子核衰變或裂變時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射。準(zhǔn)直γ射線穿過吸收介質(zhì)時(shí)，其相對(duì)強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減。γ光子與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)損失能量。γ射線一旦與吸收物質(zhì)原子發(fā)生這三種相互作用，原來能量為hν的光子就消失，或散射后能量改變、并偏離原來的入射方向［5-7］。

準(zhǔn)直后進(jìn)入探測(cè)器的γ射線相對(duì)強(qiáng)度服從以下指數(shù)衰減規(guī)律：

I/I0=e-μd（1）

式中，I0、I分別是γ射線穿過物質(zhì)前、后的強(qiáng)度，μ稱為物質(zhì)的線性吸收系數(shù)，d是吸收物質(zhì)的厚度。實(shí)驗(yàn)中引入Rm表示吸收體厚度。因此（1）式可表達(dá)為

I(R)=I0e-μmR/ρ（2）

由于在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，某一時(shí)刻的計(jì)數(shù)率N總與該時(shí)刻的γ射線強(qiáng)度I成正比，對(duì)上式取對(duì)數(shù)，則可以求出μm。

-μmρ=lnN2-lnN1R2-R1（3）

根據(jù)測(cè)量γ射線的能譜，得到γ射線的全能峰，其全能峰的面積與射線強(qiáng)度成正比，從而得到射線的強(qiáng)度［2］。同時(shí)，我們可以利用該公式，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量出Al對(duì)137Cs的γ射線（取0.661MeV光電峰）的質(zhì)量吸收系數(shù)，從而測(cè)出Al片的厚度R。

3.2 質(zhì)量吸收系數(shù)的測(cè)量

我們使用的實(shí)驗(yàn)儀器為Res99型相對(duì)論效應(yīng)實(shí)驗(yàn)譜儀，它由NaI閃爍晶體與光電倍增管組成檢測(cè)探頭包括：γ放射源為137Cs (強(qiáng)度≈2微居里)；200μmAl窗NaI(Tl)閃爍探頭、高壓電源、放大器、多道脈沖幅度分析器；Al吸收片若干以及微機(jī)等實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。

當(dāng)閃爍晶體受到γ射線照射時(shí)，產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對(duì)效應(yīng)，這些電子使閃爍體內(nèi)的分子電離而發(fā)光，經(jīng)光電倍增管形成電壓脈沖，由多道脈沖分析記錄脈沖數(shù)，可反映被測(cè)物體γ射線的輻射水平，得到射線能譜［6-7］。

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們首先調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置［8］，使放射源、準(zhǔn)直孔、閃爍探測(cè)器的中心位于一條直線上。在閃爍探測(cè)器和放射源之間加上0、1、2 ……片已知質(zhì)量厚度的吸收片（所加吸收片最后的總厚度要能吸收γ射線70%以上），進(jìn)行定時(shí)測(cè)量（建議t=1200秒），然后記錄下相關(guān)的計(jì)數(shù)率N，并存下實(shí)驗(yàn)譜圖。

3.3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果

我們經(jīng)過多次測(cè)量，根據(jù)測(cè)量γ射線的能譜，得到γ射線的全能峰。所以，計(jì)算所要研究的光電峰凈面積Ai，這樣求出的Ai就對(duì)應(yīng)公式中的Ii、Ni。我們通過對(duì)保存和記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合得到了最終結(jié)果［7］。

該方法測(cè)量的γ射線對(duì)鋁塊的質(zhì)量吸收系數(shù)為0.19597（cm-1 ），實(shí)驗(yàn)教材給出的參考值為0.194（cm-1 ），相對(duì)誤差為1.01%。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了相關(guān)的理論，說明該實(shí)驗(yàn)在理論上和實(shí)際操作中都取得了較好的效果。

通過實(shí)際的運(yùn)用和與其他方法的比較，我們認(rèn)為該方法的測(cè)量過程簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)較精確，實(shí)驗(yàn)精度較好。實(shí)驗(yàn)最大的特點(diǎn)是對(duì)被測(cè)量物體的要求低，測(cè)量范圍廣泛。

該方法能夠把測(cè)量得到的精確數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)在線控制、處理和分析，以實(shí)現(xiàn)過程的自動(dòng)化，容易實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控和測(cè)量。不但可以測(cè)量材料的厚度，還可以探測(cè)到材料內(nèi)部的特性和缺陷，不會(huì)破壞樣品，達(dá)到無損檢測(cè)的目的。例如可以用作集裝箱的檢測(cè)和機(jī)場(chǎng)行李和包箱的安全檢測(cè)。該方法便于推廣，具有傳統(tǒng)檢測(cè)方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)。 

4 結(jié)語

本文介紹了核技術(shù)相關(guān)方法以及在測(cè)量材料厚度上的應(yīng)用。重點(diǎn)介紹了用核技術(shù)測(cè)量鋁塊厚度的學(xué)生實(shí)驗(yàn)。作者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)將現(xiàn)代科技成就與中學(xué)物理教學(xué)相結(jié)合，體現(xiàn)出高新技術(shù)向中學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的滲透。這樣做既使學(xué)生盡早接觸到新信息、新技術(shù)，又兼顧了實(shí)驗(yàn)方法與技能的鍛煉，這有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，為他們成為創(chuàng)新人才打下良好基礎(chǔ)。這既滿足了學(xué)生的興趣和愛好，又調(diào)動(dòng)了教師和學(xué)生的積極性，也提高了儀器設(shè)備的使用效益，效果很好。

參考文獻(xiàn):

［1］楊化中，姚澤恩，賈文寶，等.散料γ射線測(cè)厚方法的研究［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，1998(18):21.

［2］陳英琦，陳玲燕，等.用γ射線能譜法測(cè)量材料的吸收系數(shù)和厚度［J］.同位素，2004(2):21.

［3］張治平，劉圣康.慢中子束對(duì)鋼板的靜態(tài)測(cè)厚研究［J］. 同位素，1997，(8):178.

［4］陳忠，β測(cè)量新材料密度中標(biāo)準(zhǔn)材料的選擇［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2007(3):405.

［5］陳玲燕，顧牡，秦樹基，等.相對(duì)論效應(yīng)實(shí)驗(yàn)譜儀的系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2000(3):3.

［6］盧希庭，原子核物理［M］.北京: 原子能出版社，2001.

［7］復(fù)旦大學(xué)，清華大學(xué)，北京大學(xué)合編.原子核物理實(shí)驗(yàn)方法［M］.北京:原子能出版社，1985.

［8］實(shí)驗(yàn)儀器為同濟(jì)大學(xué)物理系研制的Res99型相對(duì)論效應(yīng)實(shí)驗(yàn)譜儀.

(欄目編輯王柏廬)